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吉林工程技术师范学院课程设计论文第1章 绪 论1.1 国内外发展现状 在目前的测试领域中，越来越广泛地利用相关检测的方法进行滤波，利用相关滤波可以方便地从复杂的待测信号（包括有用信号、随机噪声和谐波频率等成分等）中分离出某一特定频率的信号，在数字技术迅速发展以后，相关滤波也经常利用A/D板对信号采样后，在计算机中实现，成为数字滤波器的一种形式，本文设计了一种实现相关滤波的方法，这是相关分析在测试技术中的一个典型应用。Labview是美国国家仪器公司推出一种基于“图形”方式的集成化程序开发环境，是目前国际上唯一的编译型图形化编程序言，在以PZ机为基础的测量和工控软件中，Labview开发环境具有一系列优点，从流程图式的编程，不需要先编译就存在语法检测和调试过程使用的数据指针，到其丰富的函数、数值、信号处理和设备驱动等功能，应用Labview进行滤波器设计，效率高，操作简单，并能对误差精度进行实时调整，把传统仪器利用Labview用软件的方法来实现，开发周期短，易于维护和升级，可以设计出传统仪器所不能比拟的虚拟仪器，“软件就是仪器”这就是虚拟仪器技术的精髓。 传统仪器是由厂家设计并定义好功能的封闭式机构，每种仪器实现一种特定的功能。随着计算机技术和传统仪器仪表技术的结合，在必要的数据采集硬件和计算机的帮助下，通过软件实现仪器的全部功能的新式仪器虚拟仪器出现了。虚拟仪器技术作为新兴的构造仪器技术，它可以部分实现甚至全部实现物理仪器功能。与传统仪器相比具有许多优点：对测试量的处理和计算可更复杂且处理速度更快，测试结果的表达方式更加丰富多样，可以方便地存储和交换测试数据，价格低，技术更新快。它的最大特点就是把由仪器生产厂家定义仪器功能的方式转变为由用户自己定义仪器功能，满足多种多样的应用需求。1.2 选题意义 数字滤波器是数字信号分析中的重要组成部分，它实现对信号的滤波、提取、增强信号的游泳分量、削弱无用的分量。经典滤波器的特点是输入信号中的有用频率成分和希望滤除的频率成分各占有不同的频带，通过一个合适的选频滤波器达到滤波目的。但如果信号和干扰的频率相重叠，那么经典滤波器将无能为力，这时需要采用现代滤波器，如维纳滤波器、卡尔曼滤波器、自适应滤波器等。从实现的网络结构或从单位脉冲响应分类，数字滤波器可以分为无限脉冲相应滤波器和有限脉冲相应滤波器。与IIR相比，FIR数字滤波器能够被设计成具有线性相位特性的滤波器。因此，它在要求具有线性相位的应用场合具有广泛的应用。数字滤波器的设计方法很多，其中较为常用的是窗函数设计法和频率采样设计法。本文介绍一种利用窗函数设计的虚拟滤波器。 Labview为设计者提供了FIR和IIR滤波器VI，使用起来非常方便，只需要输入相应的指标参数即可，不需要进行复杂的函数设计和大量的运算。滤波器VI位于Labview流程图面板的FunctionAnalyzeSignal ProcessingFilters上。基于Labview的IIR数字滤波器的设计。 不同滤波器VI滤波时均有各自的特点，因此它们用途各异。在利用Labview实现滤波功能时，选择合适的滤波器是关键，在选择滤波器时，可参照不同滤波器的特点，考虑滤波的实际要求来选择合适的滤波器。1.3 虚拟仪器系统组建方案通过各种不同的接口总线，组建不同规模的自动测试系统。虚拟仪器系统按硬件构成方式，可有以下几种组建方案： (1）GPIB仪器通过GPIB接口卡与计算机组成GPIB系统。 (2）VXI仪器与计算机组成VXI系统。 (3）PXI仪器组成PXI系统。 (4）以DAQ和信号调理部分为硬件组成PC-DAQ测试系统。 (5）并行总线仪器组成并行总线系统。 (6）串行总线仪器组成串行总线系统。 (7）现场总线设备组成现场总线系统。 第2章 LabVIEW简介2.1 LabVIEW概述LabVIEW是实验室虚拟仪器集成环境简称，是功能强大、复杂程序开发环境。包含图形编程语言开发数据采集、信号分析、仪器控制领域的虚拟仪器应用程序。LabVIEW是由美国国家仪器（NI）公司研制开发的一个功能大而又灵活的仪器和分析软件应用开发工具。类似于C和BASIC开发环境，但是LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。 与C和BASIC一样，LabVIEW也是通用编程系统，有一完成任何编程任务庞大函数库。LabVIEW的函数库包括数据采集、GPIB、串口控制、数据分析、数据显示及数据存储，等等。LabVIEW也有传统的程序调试工具，如设置断点、以动画方式显示数据及其子程序（子VI）的结果、单步执行等等，便于程序的调试。LabVIEW程序称为“虚拟仪器”或简称为VI。LabVIEW不同于基于文本的编程语言（如Fortran和C），它是一种图形编程语言通常成为G编程语言，其编程过程就是通过图形符号描述程序的行为。LabVIEW使用的是科学家和工程师们所熟悉的术语，还使用了易于识别的构造G语言的图形符号。即使具有很少变成经验的人也能学会使用LabVIEW，并能够发现和了解一些有用的基本编程原则。如果从前未编过程（或许有一些编程经验但已忘了许多），在钻研G编程语言之前，需要复习一下编程方面的基本概念。LabVIEW系统由其应用执行文件和许多相关文件以及子目录组成。LabVIEW使用文件和目录来存储创建VI所必需的信息，部分重要的文件和目录如下：(1) LabVIEW可执行程序：用于启动LabVIEW。(2) vi.lib目录：该目录包含VI库，如数据采集、仪器控制和分析VI。它必须与LabVIEW执行程序在同一目录下。不要改变vi.lib目录名称，因为LabVIEW启动时要查找该目录。如果改变此名称，就不能使用众多的控件和库函数。(3) Examples目录：该目录包含许多VI示例，这些例子示范了LabVIEW的功能。(4) user.lib目录：用户创建的VI保存于该目录并将出现在LabVIEW的Functions Palette（函数选项板）上。(5) instr.lib目录：如果希望用户仪器驱动程序库出现在LabVIEW的函数选项板上，应将其放置在该目录下。(6) Learning目录：该目录包含有用户使用时所需要的VI库。2.2 LabVIEW的操作模板 LabVIEW具有多个图形化的操作模板，用于创建和运行程序。这些操作模板可以随意在屏幕上移动，并可以放置在屏幕的任意位置。操纵模板共有三类，为工具（Tools）模板、控制（Controls）模板和功能（Functions）模板。一工具模板工具模板为编程者提供各种用于创建、修改和调试VI程序的工具。可在Windows菜单下选Show Tools Palette以显示模板。从模板内选择任一工具后鼠标箭头就会变成该工具相应形状。当从Windows菜单下选择Show Help Window，把选定的任一工具光标放在框图程序的子程序或图标上，就会显示帮助信息。LabVIEW的几种工具图标，从左往右且从上往下，依照顺序依次介绍这几种常用工具的功能：(1) 操作工具：来操作前面板控制和显示。用它键入值时工具变标签形状。(2) 选择工具：选择、移动或改变对象大小。用改变对象连框会变相应形状。(3) 标签工具：输入标签文本或建自由标签。当建自由标签时会变相应形状。(4) 连线工具：在框图程序上连接对象。帮助窗口打开会显示其数据类型。 (5) 对象弹出菜单工具：用左鼠标键可以弹出对象的弹出式菜单。(6) 漫游工具：使用该工具就可以不需要使用滚动条而在窗口中漫游。(7) 断点工具：使用该工具在VI的框图对象上设置断点。(8) 探针工具：在框图程序内数据流线上设置探针。通过窗口看数据流变化。(9) 颜色提取工具：使用该工具来提取颜色用于编辑其他的对象。(10) 颜色工具：用来给对象定义颜色。它也显示出对象的前景色和背景色。二控制模板 控制模板可以给前面板添加输入控制和输出显示。每个图标代表一个子模板。如果控制模板不显示，可以用Windows菜单的Show Controls Palette功能打开它，也可以在前面板的空白处点击鼠标右键。但只在前面板时才能调用它。控制模板从左往右且从上往下，依次介绍它所包含的几个子模板：(1) 数值子模板：包含数值的控制和显示。(2) 布尔值子模块：逻辑数值的控制和显示。(3) 字符串子模板：字符串和表格的控制和显示。(4) 列表和环（Ring）子模板：菜单环和列表栏的控制和显示。 (5) 数组和群子模板：复合型数据类型的控制和显示。(6) 图形子模板：显示数据结果的趋势图和曲线图。(7) 路径和参考名(Refnum)子模板：文件路径和各种标识的控制和显示。(8) 控件容器库子模板：用于操作OLE、ActiveX等功能。(9) 对话框子模板：用于输入对话框的显示控制。(10) 修饰子模板：用于给前面板进行装饰的各种图形对象。(11) 用户自定义的控制和显示。(12) 调用存储在文件中的控制和显示的接口。三功能模板 功能模板是创建框图程序的工具。该模块每一顶层图标都表示一个子模板。可以用Windows菜单下的Show Functions Palette功能打开它，也可以在框图程序窗口的空白处点击鼠标右键。只有打开了框图程序窗口，才能出现功能模板。功能模板从左往右且从上往下，依次介绍它所包含的几个子模板：(1）结构子模板：包括程序控制结构命令以及全局变量和局部变量。(2）数值运算子模板：包括各种常用数值运算符以及数值运算式、数值常数。(3）布尔逻辑子模板：包括各种逻辑运算符以及布尔常数。(4）字符串运算子模板：串操作函数、数值与字符串间转换函数、字符常数。 (5）数组子模板：包括数组运算函数、数组转换函数，以及常数数组等。(6）群子模板：包括群的处理函数、群常数等。此群相当于C语言中的结构。(7）比较子模板：包括各种比较运算函数，如大于、小于、等于。(8）时间和对话框子模板：包括对话框窗口、时间和出错处理函数等。(9）文件输入/输出子模板：包括处理文件输入/输出的程序和函数。(10）仪器控制子模板：GPIB、串行、VXI控制程序和函数、VISA功能函数。(11）仪器驱动程序库：用于装入各种仪器驱动程序。(12）数据采集子模板：数据采集硬件驱动程序、信号调理所需各种功能模块。(13）信号处理子模板：包括信号发生、时域及频域分析功能模块。 (14）数学模型子模块：统计、曲线拟合等功能模块，微分、积分等工具模块。(15）图形与声音子模块：包括3D、OpenGL、声音播放等功能模块。(16）通讯子模板:包括TCP、DDE、ActiveX和OLE等功能的处理模块。(17）应用程序控制子模块:包括动态调用VI、标准可执行程序的功能函数。(18）底层接口子模块：包括调用动态连接库和CIN节点等功能的处理模块。(19）文档生成子模板。(20）示教课程子模板：包括LabVIEW示教程序。(21）用户自定义的子VI模板。(22）“选择VI子程序”子模板：可选择任一VI作子程序插入当前程序中。第3章 数字滤波器的设计3.1 基于LabVIEW的数字滤波器设计 数字滤波器的传统设计过程可归纳为以下三个步骤：（1） 按照实际需要确定滤波器的性能要求。（2） 用一个因果稳定的系统函数（即传递函数）去逼近这个性能要求。此函数可以分为两类：即IIR传递函数和FIR传递函数。（3） 用一个有限精度的运算去实现这个传递函数。 FIR滤波器设计实质是确定能满足要求的转移序列或脉冲响应的常数，设计方法主要有窗函数法、频率采集法和等波纹最佳逼近发等。目前，FIR滤波器设计有封闭的设计公式。虽然窗函数法对窗口函数可给出计算公式，但计算通带与阻带衰减仍无计算公式。FIR滤波器的设计只有计算程序可循，因此对计算工具要求较高，不用计算机编程一般很难实现。 IIR滤波器的设计源于模拟滤波器设计，它通过对低通滤波器进行模拟频率变换得到。常用的IIR滤波器有巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器、椭圆滤波器和贝塞尔滤波器。目前，IIR滤波器的设计可以借助模拟滤波器的成果，有封闭形式的设计公式，对计算工具的要求不高。 IIR滤波器的设计虽然简单，但脱离不了模拟滤波器的设计模式，主要用于设计低通、高通、带通及带阻滤波器。而FIR滤波器的设计要灵活的多，尤其是频率采集设计法更易适应各种幅度特性和相位特性的要求。 电力系统滤波器可以从电力信号中将所需频段的信号提取出来并将干扰信号滤除或大大衰减。利用LabVIEW可以设计出满足电力系统需要的滤波器，利用LabVIEW设计的IIR数字滤波器前面板，前面板上有参数设置、波形显示两个区域。在参数设置区域有六个设置项：滤波器选择、滤波器类型、下载止频率、上截止频率、采样频率、阶次、纹波、衰减；选择的滤波器不同时，需要设置的项也不同。波形显示区域用于显示滤波器前后的波形，在此区域可直观地看出滤波效果。 利用LabVIEW实现的数字滤波，采用了图形语言编程，与采用文本语言编程相比，能缩短40%70%的开发时间；与硬件仪器相比，又具有容易调整滤波器类型、降低成本、滤波效果直观等优点。基于LabVIEW编写的程序还可以将其作为子程序在其他虚拟仪器系统中调用，大大增强了程序的通用性。3.2 数字滤波器的选择步骤 LabVIEW为设计者提供了FIR和IIR滤波器VI，使用起来非常方便，只需要输入相应的指标参数即可，不需要进行复杂的函数设计和大量的运算。滤波器VI位于LabVIEW流程图面FunctionAnalyzeSignal ProcessingFilters上。不同滤波器VI时均有各自的特点，因此它们用途各异。在利用LabVIEW实现滤波功能时，选择合适的滤波器是关键，在选择滤波器时，可参考不同滤波器的特点，考虑滤波的实际要求来选择合适的滤波器。各种滤波器的特点及选择滤波器的步骤见下图。图3.1 数字滤波器选择步骤 利用LabVIEW可以设计出满足电力系统需要的滤波器，图3.2为利用LabVIEW设计的IIR数字滤波器前面板，前面板上有参数设置、波形显示两个区域。在参数设置区域有六个设置项：滤波器选择、滤波器类型、下截止频率、上截止频率、采样频率、阶次、纹波、衰减；选择的滤波器不同时，需要设置的项也不同。波形显示区域用于显示滤波前后的波形，在此区域可直观地看出滤波效果。图3.2 数字滤波器前面板 滤波器的输入信号是从电力系统中采集的，信号中含有频率为50Hz，有效值为220V的基频分量，和频率为100Hz、150Hz、200Hz的二次、三次、四次谐波。现欲提取出基频分量，滤去高次谐波，采用低通滤波方式滤波，滤波阶次为8阶，纹波为0.1，衰减为60，下截止频率为50Hz，分别采用巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器、切比雪夫滤波器、椭圆滤波器和贝塞尔滤波器滤波，滤波器的输入信号与不同滤波器的输出波形如图3所示。由图3.3可以看出采用不同的滤波器滤波，滤波效果是不同的。在此实例中，巴特沃思滤波器和切比雪夫滤波器的滤波效果相对较好；而切比雪夫滤波器的滤波延迟时间较长；贝塞尔滤波器滤波的衰减较大。因此，要根据不同的工况要求来选择合适的滤波器滤波。图3.3 滤波器的输入和输出信号第4章 利用虚拟仪器测试典型电路4.1 稳压电源1 稳压电源的工作原理 本次课程设计所设计的稳压电源是串联反馈式的稳压电源，它的实际电路设计结构图如图4-1所示，图中Vi=12V是整流滤波电路的输出电压，Q为调整管，LM358P运放是稳压电源的核心芯片，其组成的电路为比较放大电路，Vref为基准电压，它由一个5.1V的稳压管与一个5.1K的电阻串联所构成的简单稳压电路获得，R1和R2组成反馈网络，用来反映输出的电压。图4.1 串联反馈式稳压电路的结构图串联型稳压电源由基准电压、比较放大环节、调整环节、取样环节组成。其中调整环节就是一个射极输出器。取样环节是将输出电压量取出，加到误差比较放大器的反相输入端，与同相输入端的基准电压相比较。这种稳压电路的主回路是起调整作用的Q与负载串联，故称为串联式稳压电路。输出电压的变化量由反馈网络取样经放大电路（A）放大后去控制调整管Q的c-e极间的电压降，从而达到稳定输出电压Vo的目的。稳压原理可简述如下：当输入电压Vi增加（或负载电流Io减小）时，导致输出电压Vo增加，随之反馈电压Vf=R2Vo/（R1+R2）=FvVo也增加（Fv为反馈系数）。Vf与基准电压Vref相比较，其差值电压经比较放大电路放大后使Vb和Ic减小，调整管Q的c-e极间电压Vce增大，使Vo下降，从而维持Vo基本恒定。同理，当输入电压Vi减小（或负载电流Io增加）时，亦将使输出电压基本保持不变。在深度负反馈条件下，时，可得上式表明，输出电压Vo与基准电压Vref近似成正比，与反馈系数Fv成反比。当Vref及Fv已定时，Vo也就确定，因此它是设计稳压电路的基本关系式。2 稳压电源的虚拟测控本次课程设计，主要的操作平台和设备是NI ELVIS。它是一个基于LabVIEW的虚拟仪器组成，它是一套多功能数据采集设备与一个用户自定义的工作台，工作台上还有一块原型实验面包板。这一整套设备即可为实验室提供诸多常用仪器的功能，包括示波器、函数发生器、数字万用表、可编程控制的电源以及波特分析器、动态信号分析仪与任意波形发生器。稳压电源的虚拟测控操作具体步骤如下：(1）根据电路的结构图，在面包板上搭接电路。(2）将面包板SUPPLY+口和地口分别与NI ELVIS前面板的数字万用表测电压口的正极和地极相接并打开前面板SUPPY+电源，旋转电压调节旋钮，然后打开NI ELVIS软件，点Digital Multimeter观测电压值，直到值为12V，停止旋转。(3）将芯片的8脚和电路中的输入电压源接在面包板的SUPPLY+口，再将芯片4脚和RL的一端接地。(4）将要测量的5.1K电阻的一端延伸出一条导线接入数字万用表的测量电压口的正极，另一端与数字万用表的地端相接。(5）一切接线完毕后，打开前面板电源，同时打开NI ELVIS软件，点Digital Multimeter观测5.1K电阻两端的电压值。其电压值大约为6.1V左右。图4.2 稳压电源的虚拟测控电压值4.2 方波发生器一方波发生器的工作原理方波发生电路是一种能够直接产生方波或矩形波的非正弦信号发生电路。由于矩形波包含极丰富的谐波，因此，这种电路又称为多谐振荡器。基本电路的组成如图4.3所示，它是在迟滞比较器的基础上，增加了一个由Rf 、C组成的积分电路，把输出电压经Rf、C反馈到集成运放的反相端。在运放的输出端引入限流电阻R和两个稳压管而组成的双向限幅电路。由图可知，电路的正反馈系数F为：F=R2/（R1+R2）在接通电源的瞬间，图4.3电路的输出电压究偏于正向饱和还是负向饱和，纯属偶然。设输出电压偏于负饱和值，即Vo=-Vz时，则集成运放同相端的电压为-FVz，而加欲反相端的电压，由于电容器C上的电压Vc不能突变，只能由输出电压Vo通过电阻Rf按指数规律向C充电来建立，充电电流为i+。显然，当加到反相端的电压Vc略负于-FVz时，输出电压便立即从负饱和值（-Vz）迅速翻转到正饱和值（+Vz），+Vz又通过Rf对C进行反向充电，充电电流为i-。直到Vc略正于FVz值时，输出状态再翻转回来。如此循环不已，就形成一系列的方波输出。图4.3 双向限幅的方波产生电路通常将矩形波为高电平的持续时间与振荡周期的比称为占空比。对称方波的占空比为50%。如需产生占空比小于或大于50%的矩形波，只需适当改变电容C的正、反向充电时间常数即可。实现此目标的一个方案是，将图4.4所示网络接入图4.4中节点O、N间，代替电阻Rf。图4.4 改变正、反向充电时间常数的一种网络这样，当Vo为正时，D1导通而D2截止，反向充电时间常数为Rf1C；当Vo为负时，D1截止而D2导通，正向充电时间常数为Rf2C。选取Rf1/ Rf2的比值不同，就改变了占空比。设忽略了二极管的正向电阻，此时的振荡周期为：2 方波发生器的虚拟测控 方波发生器的虚拟测控操作具体步骤如下：(1）根据电路的结构图，在面包板上搭接电路。(2）将面包板SUPPLY+口和地口分别与NI ELVIS前面板的数字万用表测电压口的正极和地极相接并打开前面板SUPPY+电源，旋转电压调节旋钮，然后打开NI ELVIS软件，点Digital Multimeter观测电压值，直到值为1